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Transformações Lineares
Carlos Luz, Ana Matos, Sandra NunesDepartamento de Matemática
Escola Superior de Tecnologia de Setúbal
Ano Lectivo 2004/2005
Índice1 Definição. Representação Matricial 21.1 A Composição de Transformações Lineares e o Produto Matricial . . . . . . . . . . 101.2 Mudança de Base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2 Núcleo e Imagem de uma Transformação Linear 13
3 Inversa de uma Transformação Linear 16
4 Exercícios Resolvidos 19
5 Exercícios Propostos 26
6 Soluções dos Exercícios Propostos 28
Bibliografia 29
1
Recorde-se que uma aplicação (ou função) de um conjunto sobre outro é uma regra que, a cadaelemento do primeiro conjunto (conjunto de partida), faz corresponder um e um só elemento dosegundo (conjunto de chegada).As transformações lineares são aplicações entre dois espaços vectoriais que, num certo sentido,
preservam as operações de adição e multiplicação escalares definidas nesses espaços.A importância de que se revestem na resolução de diversos problemas de Engenharia, tornam as
transformações lineares um tema obrigatório de estudo num curso introdutório de Álgebra Linear.Neste capítulo faremos uma digressão sucinta pelos aspectos essenciais das transformações lineares,realçando, nomeadamente, as ligações estreitas existentes entre as noções de transformação lineare de matriz.
1 Definição. Representação MatricialSupondo fixada a base canónica em IR2, consideremos a matriz
A =
∙0 −11 0
¸(1)
e o vector x = (1, 1/3) ∈ IR2. Representando este vector pela matriz coluna∙
11/3
¸1, podemos
calcular o produto
Ax =
∙0 −11 0
¸ ∙11/3
¸=
∙−1/31
¸= y.
A multiplicação de A por x pode então ser vista como uma acção de transformação do vectorx = (1, 1/3) no vector y = (−1/3, 1). A figura 1 ilustra geometricamente o que aconteceu: ao sermultiplicado por A, o vector x “sofreu” uma rotação de +90 ◦, sendo transformado (ou aplicado)no vector y.
+90º/
x⎡ ⎤
= ⎢ ⎥⎣ ⎦
11 3
1
1/y
−⎡ ⎤= ⎢ ⎥⎣ ⎦
1 31
+90º/
x⎡ ⎤
= ⎢ ⎥⎣ ⎦
11 3
1
1/y
−⎡ ⎤= ⎢ ⎥⎣ ⎦
1 31
Figura 1: Rotação de +90o.
Em geral, a multiplicação da matriz A pelo vector genérico x = (x1, x2) ∈ IR2 conduz ao vectory = (−x2, x1) pois
Ax =
∙0 −11 0
¸ ∙x1x2
¸=
∙−x2x1
¸= y. (2)
Geometricamente, o vector transformado y = (−x2, x1) pode ser visto como o resultado da rotaçãode x = (x1, x2) de 90 ◦ no sentido positivo, tal como ilustra a fig. 2.
1Não havendo perigo de confusão quanto à base fixada, identificaremos um vector de IRn com a matriz colunaformada pelas suas componentes.
2 M A IC —A n o L e c t iv o 2 0 0 4 / 2 0 0 5
+90º
xx
x⎡ ⎤
= ⎢ ⎥⎣ ⎦
1
2
1
xAx
x−⎡ ⎤
= ⎢ ⎥⎣ ⎦
2
1
x1
x1
x2
x− 2 +90º
xx
x⎡ ⎤
= ⎢ ⎥⎣ ⎦
1
2
1
xAx
x−⎡ ⎤
= ⎢ ⎥⎣ ⎦
2
1
x1
x1
x2
x− 2
Figura 2: Rotação de +90 ◦ definida pela matriz A.
Deste modo, a matriz A define uma aplicação T de IR2 para IR2, designada por rotação, que acada vector x ∈ IR2 associa o vector y = Ax ∈ IR2. Simbolicamente, T pode representar-se por
T : IR2 → IR2
x → y = T (x) = Ax.
O vector y = T (x) diz-se a imagem do vector x por intermédio da transformação T. Tendo emconta (2), a rotação T pode ser, alternativamente, definida por
T : IR2 → IR2
(x1, x2) → T (x1, x2) = (−x2, x1).
T diz-se uma transformação linear dado que satisfaz as condições da definição seguinte:
Definição 1.1 Sejam E e F dois espaços vectoriais sobre o mesmo corpo IK. Uma aplicaçãoT : E → F diz-se uma transformação (ou aplicação) linear de E em F se:
1. T (x+ y) = T (x) + T (y), quaisquer que sejam x, y ∈ E;
2. T (λx) = λT (x), quaisquer que sejam x ∈ E e λ ∈ IK.
Por outras palavras, T é uma transformação linear de E em F se a imagem da soma de doisvectores de E é igual à soma das imagens dos vectores e a imagem do produto de um vector de Epor um escalar coincide com o produto do escalar pela imagem do vector.Quando se considera uma transformação linear entre dois espaços vectoriais, admite-se que
estes têm o mesmo conjunto de escalares. De notar também que as duas condições da definiçãoanterior podem ser reunidas na condição
T (λx+ µy) = λT (x) + µT (y),
para todos os vectores x e y de E e todos os escalares λ e µ de IK. De facto, esta última igualdadeé equivalente às anteriores podendo ser igualmente utilizada para definir transformação linear.Uma transformação linear de E em F também se diz um homomorfismo. Em particular,
dir-se-á um monomorfismo se é injectiva, um epiformismo se é sobrejectiva, um isomorfismose é bijectiva, um endomorfismo se F = E e um automorfismo se é simultaneamente umendoformismo e um isomorfismo.
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Exemplo 1.1 Comecemos por verificar que a rotação T (x) = Ax vista acima é uma transformaçãolinear. Com efeito, dados dois quaisquer vectores x e y pertencentes a IR2 e um escalar arbitrárioλ ∈ IR, as propriedades da multiplicação de matrizes permitem escrever
T (x+ y) = A(x+ y) = Ax+Ay = T (x) + T (y)
eT (λx) = A(λx) = λAx = λT (x).
Mais geralmente, seja A uma matriz qualquer de tipo m×n e x um vector de IRn. A aplicaçãoT : IRn → IRm definida por T (x) = Ax é uma transformação linear. A verificação resulta daspropriedades da multiplicação de matrizes, tal como no caso da rotação.
Exemplo 1.2 Uma das transformações lineares mais simples é a função f : IR → IR dada forf(x) = ax, com a ∈ IR. Esta função é representada geometricamente, num plano onde se fixou umreferencial cartesiano ortonormado, por uma recta que passa pela origem e tem declive a. Comefeito, f é uma transformação linear pois, para quaisquer x, y ∈ IR e λ ∈ IR, tem-se
f(x+ y) = a(x+ y) = ax+ ay = f(x) + f(y)
ef(λx) = a(λx) = λ(ax) = λf(x).
Por outro lado, já a função quadrática f(x) = x2 (representada geometricamente por uma parábola)não é uma transformação linear pois, por exemplo, para x = 1 e y = 1, tem-se f(1 + 1) = f(2) =22 = 4 e f(1) + f(1) = 12 + 12 = 2. Assim,
f(1 + 1) 6= f(1) + f(1),
e, portanto, a primeira condição da definição 1.1 não se verifica.
Vejamos algumas propriedades das transformações lineares.
Proposição 1.1 Sejam E e F dois espaços vectoriais sobre o corpo IK e T uma transformaçãolinear de E em F. Então vale o seguinte:
(a) T (0E) = 0F , onde 0E e 0F designam respectivamente os vectores nulos de E e F.
(b) T (−x) = −T (x), ∀x ∈ E
(c) T (x− y) = T (x)− T (y), ∀x, y ∈ E.
(d) Se x = λ1v1 + · · ·+ λpvp, com v1, . . . , vp ∈ E e λ1, . . . , λp ∈ IK, então
T (x) = T (λ1v1 + · · ·+ λpvp) = λ1T (v1) + · · ·+ λpT (vp).
Demonstração Para provar (a) recorde-se que 0IKx = 0E para qualquer x ∈ E. Então, atendendoà definição de transformação linear e de novo à igualdade anterior, tem-se
T (0E) = T (0IKx) = 0IKT (x) = 0F .
A propriedade (b) é consequência de −x = (−1)x. De facto, daqui segue-se que
T (−x) = T [(−1)x] = (−1)T (x) = −T (x),
atendendo à definição de transformação linear.Quanto à propriedade (c) tem-se, atendendo a que x−y = x+(−y), à definição de transformação
linear e à propriedade (b):
T (x− y) = T [x+ (−y)] = T (x) + T (−y) = T (x)− T (y).
Deixa-se a demonstração de (d) como exercício.
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Exemplo 1.3 Considere-se
T : IR2 → IR2
(x1, x2) → T (x1, x2) = (x2, x1).
Para verificar que é uma transformação linear realizam-se os seguintes passos:
1. Sejam x = (x1, x2) e y = (y1, y2) dois quaisquer vectores de IR2. Então,
T (x+ y) = T [(x1, x2) + (y1, y2)] = T (x1 + y1, x2 + y2) = (x2 + y2, x1 + y1)
= (x2, x1) + (y2, y1) = T (x1, x2) + T (y1, y2) = T (x) + T (y),
sendo a 2a e 3a igualdades devidas à operação de adição de vectores e as restantes justificadaspelas definições de x, y e T . Deste modo, verifica-se a primeira condição da definição 1.1.
2. Sejam x = (x1, x2) ∈ IR2 e λ ∈ IR. Então,
T (λx) = T [λ(x1, x2)] = T (λx1, λx2)
= (λx2, λx1) = λ(x2, x1) = λT (x1, x2) = λT (x),
sendo as igualdades justificadas exactamente como no procedimento anterior, ficando assimsatisfeita a segunda condição da definição 1.1.
1 2( , )P x x x≡ =
1x2x
2x
1x 2 1( ) ( , )Q T x x x≡ =
1 2( , )P x x x≡ =
1x2x
2x
1x 2 1( ) ( , )Q T x x x≡ =
Figura 3: Reflexão.
Para interpretar geometricamente a transformação T observe-se a figura 3 que sugere a simetriados vectores (x1, x2) e (x2, x1) relativamente à bissectriz dos quadrantes ímpares. Sejam P e Q asextremidades dos vectores (x1, x2) e (x2, x1), respectivamente. O ponto médio do segmento [PQ]tem a forma
¡x1+x22 , x1+x22
¢pertencendo, portanto, à referida bissectriz. Simultaneamente, [PQ]
é perpendicular a esta recta, pois sendo
−−→PQ = T (x1, x2)− (x1, x2) = (x2 − x1, x1 − x2)
e (1, 1) um vector com a direcção daquela bissectriz, tem-se
−−→PQ|(1, 1) = (x2 − x1, x1 − x2)| (1, 1) = 0.
Assim, é natural dizer que T é uma reflexão.Vejamos agora se, à semelhança da transformação rotação, é possível representar matricialmente
a reflexão T . A resposta é afirmativa pois:
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3.1. O vector (x1, x2) pode escreve-se na forma
(x1, x2) = x1(1, 0) + x2(0, 1)
donde, pela alínea (d) da proposição 1.1,
T (x1, x2) = x1T (1, 0) + x2T (0, 1), (3)
ou seja,(x2, x1) = x1(0, 1) + x2(1, 0).
2. Esta igualdade escreve-se matricialmente na forma∙x2x1
¸= x1
∙01
¸+ x2
∙10
¸,
pelo que equivale ao seguinte produto matricial:∙0 11 0
¸ ∙x1x2
¸=
∙x2x1
¸.
Assim, a matriz AT =
∙0 11 0
¸permite definir alternativamente a reflexão T por
T (x) = AT x, ∀x ∈ IR2.
Supondo fixada em IR2 a base canónica e1 = (1, 0) e e2 = (0, 1), da igualdade (3) conclui-seque as colunas da matriz AT são, respectivamente, as imagens de e1 e e2 por meio de T expressasnaquela base. Efectivamente, tem-se T (e1) = (0, 1) = e2 e T (e2) = (1, 0) = e1, pelo que a 1a colunade AT contém as coordenadas de e2 e, a 2a coluna, as coordenadas de e1. A matriz AT diz-se amatriz representativa de T relativamente à base fixada em IR2.
Exemplo 1.4 Seja T : IR3 → IR2 a função dada por
T (x1, x2, x3) = (x1, x3).
Para verificar que T é linear sejam (x1, x2, x3) e (y1, y2, y3) quaisquer vectores de IR3 e λ ∈ IR.
Então, de forma análoga à do exemplo 1.3, tem-se
T [(x1, x2, x3) + (y1, y2, y3)] = T (x1 + y1, x2 + y2, x3 + y3)
= (x1 + y1, x3 + y3) = (x1, x3) + (y1, y3)
= T (x1, x2, x3) + T (y1, y2, y3).
e
T [λ(x1, x2, x3)] = T (λx1, λx2, λx3)
= (λx1, λx3) = λ(x1, x3)
= λT (x1, x2, x3).
Supondo fixadas em IR3 e IR2 as respectivas bases canónicas, tal como foi sugerido no exemploanterior e será provado no teorema 1.1, para obter a representação matricial de T bastará calcularT (e1) = T (1, 0, 0) = (1, 0), T (e2) = T (0, 1, 0) = (0, 0) e T (e3) = T (0, 0, 1) = (0, 1) e considerar a
matriz de tipo 2×3 formada por estas imagens, isto é, AT =
∙1 0 00 0 1
¸. De facto, para qualquer
x = (x1, x2, x3) , verifica-se que T (x) = ATx pois
ATx =
∙0 0 01 0 1
¸⎡⎣ x1x2x3
⎤⎦ = ∙ x1x3
¸.
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Exemplo 1.5 Considere-se a transformação T : IRn → IRn tal que T (x) = c x, onde c é uma cons-tante real. Trata-se de uma transformação linear que, no caso de c = 0, se diz a transformaçãonula de IRn em IRn e é representada matricialmente pela matriz nula. Caso c = 1, obtém-se atransformação identidade em IRn, que é representada matricialmente pela matriz identidadede ordem n, In, visto que T (x) = x⇔ T (x) = Inx.
Exemplo 1.6 Seja Pn o espaço vectorial dos polinómios de grau menor ou igual a n e Sn ={1, x, x2, . . . , xn} a sua base canónica. Considere-se, em particular, a transformação D : P3 → P3(designada por operador de derivação) que a cada polinómio
p(x) = a0 + a1x+ a2x2 + a3x
3 ∈ P3
faz corresponder a sua derivada
D(p) =dp
dx(x) = a1 + 2a2x+ 3a3x
2 ∈ P3.
D é uma transformação linear pois, dados p(x) = a0+a1x+a2x2+a3x
3, q(x) = b0+b1x+b2x2+b3x
3
e λ escalar, tem-seD(p+ q) = D(p) +D(q)
eD(λp) = λD(p).
De facto, estas igualdades deduzem-se com facilidade, atendendo a que a derivada da soma é asoma das derivadas e que a derivada do produto de uma constante por uma função é o produto daconstante pela derivada da função.Para obter a matriz representativa de D, vamos exprimir na base S3 = {1, x, x2, x3} as imagens
dos elementos de S3 por meio de D. Tem-se então
D(1) = 0 = 0× 1 + 0× x+ 0× x2 + 0× x3,D(x) = 1 = 1× 1 + 0× x+ 0× x2 + 0× x3,D(x2) = 2x = 0× 1 + 2× x+ 0× x2 + 0× x3,D(x3) = 3x2 = 0× 1 + 0× x+ 3x2 + 0× x3
e, portanto, D pode ser representada matricialmente por
AD =
⎡⎢⎢⎣0 1 0 00 0 2 00 0 0 30 0 0 0
⎤⎥⎥⎦ .A matriz representativa de D comporta toda a informação que é essencial para determinar oscoeficientes da derivada de qualquer polinómio de P3 e, consequentemente, essa mesma derivada.De facto, obtêm-se os coeficientes da derivada dum polinómio p(x) = a0 + a1x + a2x
2 + a3x3
multiplicando a matriz AD pelos coeficientes de p(x) :
AD
⎡⎢⎢⎣a0a1a2a3
⎤⎥⎥⎦ =⎡⎢⎢⎣0 1 0 00 0 2 00 0 0 30 0 0 0
⎤⎥⎥⎦⎡⎢⎢⎣
a0a1a2a3
⎤⎥⎥⎦ =⎡⎢⎢⎣
a12a23a30
⎤⎥⎥⎦ .Vimos, no exemplo 1.1 acima, que qualquer matriz de elementos reais define uma transfor-
mação linear. Nos restantes exemplos, mesmo quando as transformações lineares não foram dadasmatricialmente, foram determinadas matrizes representativas. A questão que naturalmente se põe,é a de saber se qualquer transformação linear de um espaço vectorial para outro tem uma repre-sentação matricial. A resposta é afirmativa no caso dos espaços vectoriais de dimensão finita comose mostra no resultado seguinte.
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Teorema 1.1 Sejam E e F espaços vectoriais de dimensão finita. Suponham-se fixadas em E eem F as bases ordenadas2 {e1, e2, . . . , en} e {f1, f2, . . . , fm}, respectivamente, e seja T : E → Fuma transformação linear.Então, a imagem y = T (x) ∈ F de qualquer vector x ∈ E obtém-se por
y = Ax⇔
⎡⎢⎢⎢⎣y1y2...ym
⎤⎥⎥⎥⎦ = A
⎡⎢⎢⎢⎣x1x2...xn
⎤⎥⎥⎥⎦ ,em que:
• A é uma matriz do tipo m × n e as suas colunas são, respectivamente, as coordenadas dosvectores T (e1), T (e2), . . . , T (en) relativamente à base {f1, f2, ..., fm} de F ;
• x1, x2, . . . , xn são as coordenadas de x relativamente à base fixada em E, isto é, x = x1e1 +x2e2 + · · ·+ xnen;
• y1, y2, . . . , ym são as coordenadas de y relativamente à base fixada em F , isto é, y = y1f1 +y2f2 + · · ·+ ymfm.
A matriz A é única e diz-se a matriz representativa de T relativamente às bases fixadasem E e em F .
Demonstração Dado que T é uma transformação linear tem-se
T (x) = T (x1e1 + x2e2 + · · ·+ xnen)
= x1T (e1) + x2T (e2) + · · ·+ xnT (en), (4)
ou seja, T (x) é uma combinação linear das imagens dos vectores da base {e1, e2, . . . , en} de E.Ora, estas imagens representam-se na base {f1, f2, . . . , fm} de F por
T (ei) = a1if1 + a2if2 + · · ·+ amifm, ∀i = 1, . . . n
ou matricialmente por
T (ei) =
⎡⎢⎢⎢⎣a1ia2i...
ami
⎤⎥⎥⎥⎦ .Então, por (4), T (x) pode escrever-se na forma
T (x) = x1
⎡⎢⎢⎢⎣a11a21...
am1
⎤⎥⎥⎥⎦+ x2
⎡⎢⎢⎢⎣a12a22...
am2
⎤⎥⎥⎥⎦+ · · ·+ xn
⎡⎢⎢⎢⎣a1na2n...
amn
⎤⎥⎥⎥⎦
=
⎡⎢⎢⎢⎣a11x1 + a12x2 + · · ·+ a1nxna21x1 + a22x2 + · · ·+ a2nxn
...am1x1 + am2x2 + · · ·+ amnxn
⎤⎥⎥⎥⎦ . (5)
2Suporemos aqui que os vectores das bases de E e F obedecem a uma ordenação pré-fixada.
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Note-se que as linhas desta última matriz são exactamente as coordenadas de T (x) na base{f1, f2, . . . , fm} inicialmente fixada em F . Designando T (x) por y e aquelas coordenadas pory1, y2, . . . , ym , obtém-se de (5)⎡⎢⎢⎢⎣
y1y2...ym
⎤⎥⎥⎥⎦ =⎡⎢⎢⎢⎣
a11 a12 · · · a1na21 a22 · · · a2n...
......
...am1 am2 · · · amn
⎤⎥⎥⎥⎦⎡⎢⎢⎢⎣
x1x2...xn
⎤⎥⎥⎥⎦ ,ou seja, y = Ax em que A designa, como se enunciou, a matriz cujas colunas são as imagens pormeio de T dos vectores da base fixada em E. Visto que estas imagens se escrevem de maneiraúnica em função dos vectores da base de F , conclui-se que A é a única matriz que representa Tnas bases ordenadas fixadas em E e F .
Exemplo 1.7 Seja T : R3 → R2 a transformação definida por T (x1, x2, x3) = (x2, x1 + x3) esuponha-se fixada em IR3 a base canónica {e1, e2, e3} = {(1, 0, 0), (0, 1, 0), (0, 0, 1)} e em IR2 a base{f1, f2} = {(1, 0), (1, 1)}. Para obter a matriz representativa de T há que sucessivamente calcular:
T (e1) = T (1, 0, 0) = (0, 1) = −1f1 + 1f2;T (e2) = T (0, 1, 0) = (1, 0) = 1f1 + 0f2;
T (e3) = T (0, 0, 1) = (0, 1) = −1f1 + 1f2.
Dispondo nas colunas de uma matriz as coordenadas de T (e1), T (e2) e T (e3) na base {f1, f2},obtém-se a matriz que representa T nas bases fixadas:∙
−1 1 −11 0 1
¸.
Por outro lado, se em IR2 a base fixada tivesse sido a base canónica formada pelos vectorese1 = (1, 0) e , e2 = (0, 1), a transformação T seria representada pela matriz∙
0 1 01 0 1
¸,
pois T (e1) = e2, T (e2) = e1 e T (e3) = e2.
Exemplo 1.8 Suponha-se de novo a reflexão T : IR2 → IR2 dada por T (x1, x2) = (x2, x1). Ora jáse viu que estando fixada em IR2 a base canónica, a matriz que representa T é∙
0 11 0
¸,
pois T (e1) = T (1, 0) = (0, 1) = e2 e T (e2) = e1. Suponha-se, por outro lado, fixada em IR2 a base{f1, f2} com f1 = (1, 1) e f2 = (−1, 1). Para obter a matriz de T na nova base há que determinarT (f1) e T (f2) e exprimir estes vectores naquela base. Então, como
T (f1) = T (1, 1) = (1, 1) = 1f1 + 0f2 e
T (f2) = T (−1, 1) = (1,−1) = 0f1 − 1f2,
tem-se que a representação matricial de T na base {f1, f2} é∙1 00 −1
¸. .
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1.1 A Composição de Transformações Lineares e o Produto Matricial
Consideremos agora duas transformações lineares T : E → F e S : F → G entre espaços vectoriaisde dimensão finita. A composição de S com T é a transformação S ◦ T definida por
(S ◦ T ) (x) = S (T (x)) , ∀x ∈ E.
Vimos no teorema anterior que a cada transformação linear está associada a matriz que a repre-senta relativamente às bases consideradas. Observemos agora que a composição de transformaçõeslineares está associada ao produto das matrizes que representam aquelas transformações nas basesconsideradas.
Proposição 1.2 Sejam E,F e G espaços vectoriais sobre o mesmo corpo e designemos respec-tivamente por AT e AS as matrizes que representam as transformações lineares T : E → F eS : F → G relativamente a bases fixadas em E, F e G. Então, a matriz AS◦T que representa S ◦T,relativamente às mesmas bases, é o produto de AS por AT , isto é, AS◦T = ASAT .
Demonstração Provemos primeiro que S ◦ T é uma transformação linear. Com efeito, paraquaisquer x, y ∈ E tem-se
(S ◦ T ) (x+ y) = S (T (x+ y)) = S (T (x) + T (y))
= S (T (x)) + S (T (y)) = (S ◦ T ) (x) + (S ◦ T ) (y).
Por outro lado, para qualquer x ∈ E e todos os escalares λ tem-se
(S ◦ T ) (λx) = S (T (λx)) = S (λT (x)) = λS (T (x)) = λ (S ◦ T ) (x),
e, portanto, S ◦ T é uma transformação linear.Considerando fixadas bases em E, F e G, tem-se, atendendo à definição de S ◦ T e ao teorema
anterior:(S ◦ T ) (x) = S (T (x)) = S (ATx) = ASATx, ∀x ∈ E.
Visto que a representação matricial de uma transformação linear é única, resulta destas igualdadesque AS◦T = ASAT , tendo em conta que S ◦ T é linear.
Exemplo 1.9 Consideremos duas transformações lineares T : IR2 → IR3 e S : IR3 → IR2 repre-sentadas, relativamente às bases canónicas de IR2 e IR3, por
AT =
⎡⎣ 0 10 11 1
⎤⎦ e AS =
∙2 0 11 1 0
¸.
Tem-se então que a matriz representativa de S ◦ T : IR2 → IR2 é dada por
AS◦T = ASAT =
∙2 0 11 1 0
¸⎡⎣ 0 10 11 1
⎤⎦ = ∙ 1 30 2
¸.
Consequentemente, (S ◦ T ) (x1, x2) = (x1 + 3x2, 2x2).Por outro lado, a matriz representativa de T ◦ S : IR3 → IR3 é
AT◦S = ATAS =
⎡⎣ 0 10 11 1
⎤⎦∙ 2 0 11 1 0
¸=
⎡⎣ 1 1 01 1 03 1 1
⎤⎦ ,donde (T ◦ S) (x1, x2, x3) = (x1 + x2, x1 + x2, 3x1 + x2 + x3).
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1.2 Mudança de Base
Seja T : E → E um endomorfismo do espaço vectorialE de dimensão finita. Quando neste espaço seefectua uma mudança de base, cada vector de E passa a ser representado por coordenadas distintasdas iniciais. Estamos agora interessados em estudar a alteração provocada por uma mudança debase na matriz representativa do endomorfismo T . Comecemos com um exemplo ilustrativo.
Exemplo 1.10 Seja E um espaço vectorial de base {e1, e2, e3} e T : E → E uma transformaçãolinear cuja representação relativamente à base indicada é
A =
⎡⎣ −1 0 −20 0 10 −1 0
⎤⎦ .Considerando o sistema de vectores {f1, f2, f3}, em que⎧⎪⎨⎪⎩
f1 = e1 + e2f2 = −e1 − e3f3 = e1 + 2e3
, (6)
pretende-se:(a) Mostrar que {f1, f2, f3} é uma nova base de E.(b) Determinar a matriz associada a T na nova base.Para ver (a) basta verificar que f1, f2 e f3 são linearmente independentes. Ora, λ1f1 + λ2f2 +
λ3f3 = 0E equivale a
λ1 (e1 + e2) + λ2 (−e1 − e3) + λ3 (e1 + 2e3) = 0E
m(λ1 − λ2 + λ3)e1 + λ1e2 + (−λ2 + 2λ3)e3 = 0E .
Como e1, e2 e e3 são linearmente independentes, a última igualdade equivale a⎧⎨⎩ λ1 − λ2 + λ3 = 0λ1 = 0
−λ2 + 2λ3 = 0⇔
⎧⎨⎩ λ1 = 0λ2 = 0λ3 = 0
,
pelo que f1, f2 e f3 são linearmente independentes.Passemos à resolução de (b). Como
T (f1) = T (e1 + e2) = (−1, 0,−1),T (f2) = T (−e1 − e3) = (3,−1, 0) e
T (f3) = T (e1 + 2e3) = (−5, 2, 0),
as expressões de T (f1), T (f2) e T (f3) na base {f1, f2, f3} obtêm-se por:
λ1f1 + λ2f2 + λ3f3 = (−1, 0,−1)⇔
⎧⎨⎩ λ1 − λ2 + λ3 = −1λ1 = 0
−λ2 + 2λ3 = −1⇒
⎧⎨⎩ λ1 = 0λ2 = 1λ3 = 0
,
λ1f1 + λ2f2 + λ3f3 = (3,−1, 0)⇔
⎧⎨⎩ λ1 − λ2 + λ3 = 3λ1 = −1
−λ2 + 2λ3 = 0⇒
⎧⎨⎩ λ1 = −1λ2 = −4λ3 = −8
e
λ1f1 + λ2f2 + λ3f3 = (−5, 2, 0)⇔
⎧⎨⎩ λ1 − λ2 + λ3 = −5λ1 = 2
−λ2 + 2λ3 = 0⇒
⎧⎨⎩ λ1 = 2λ2 = 14λ3 = 7
.
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Consequentemente, a matriz associada a T na nova base é
B =
⎡⎣ 0 −1 21 −4 140 −8 7
⎤⎦ .Podemos agora perguntar se existe alguma relação entre entre as matrizes A e B do exemplo
anterior. Efectivamente, A e B sãomatrizes semelhantes, isto é, existe uma matriz P, invertível,tal que B = P−1AP.Antes de justificar esta afirmação, vejamos como pode P ser obtida. Considerando as igualdades
(6) dadas no enunciado para relacionar as bases {f1, f2, f3} e {e1, e2, e3}, podemos escrever
[ f1 f2 f3 ] = [ e1 e2 e3 ]
⎡⎣ 1 −1 11 0 00 −1 2
⎤⎦ . (7)
A mencionada matriz P é precisamente a matriz que se encontra mais à direita nesta igualdade ediz-se a matriz de mudança de base, isto é,
P =
⎡⎣ 1 −1 11 0 00 −1 2
⎤⎦Note-se que a matriz P é invertível. Com efeito, as 1a, 2a e 3a colunas de P são formadas,
respectivamente, pelas coordenadas de f1, f2 e f3 na base {e1, e2, e3}. Deste modo, as colunas deP são linearmente independentes se e só se f1, f2 e f3 também o forem. Dado que estes vectoressão linearmente independentes, conclui-se que o mesmo acontece com as colunas de P , pelo queesta matriz é invertível.Além disto, supondo que x se exprime na base {e1, e2, e3} por x = x1e1+x2e2+x3e3, podemos
escrever esta igualdade na forma matricial do seguinte modo:
x =£e1 e2 e3
¤⎡⎣ x1x2x3
⎤⎦ .Logo, por (7), concluimos que
x =hf1 f2 f3
iP−1
⎡⎣ x1x2x3
⎤⎦ = h f1 f2 f3
i⎡⎣ x01x02x03
⎤⎦ou, mais sucintamente,
x =hf1 f2 f3
iP−1X =
hf1 f2 f3
iX 0,
ondeX eX 0 designam as matrizes coluna correspondentes às coordenadas de x nas bases {e1, e2, e3}e {f1, f2, f3}, respectivamente. Deduz-se assim que
X 0 = P−1X ⇔ X = PX 0, (8)
exprimindo estas igualdades a relação existente entre as coordenadas de x em cada uma daquelasbases.Generalizando para vectores com um qualquer número finito de coordenadas, podemos enunciar:
Proposição 1.3 Se {e1, . . . , en} e {f1, . . . , fn} são duas bases de um espaço vectorial de dimensãofinita e P é a matriz de mudança de base, então as matrizes coluna X e X 0, que representam ummesmo vector x em cada uma das bases, estão relacionadas por X = PX 0.
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Passamos agora a justificar o que afirmámos atrás: as matrizes A e B do exemplo 1.10 sãosemelhantes.Supondo fixada em E a base {e1, e2, e3}, a transformação T pode escrever-se matricialmente
na formaY = AX, (9)
onde X é a matriz coluna que representa, naquela base, um dado vector x ∈ E e Y representa acorrespondente imagem, na mesma base. Se a base de E passar a ser {f1, f2, f3}, a transformaçãoT passar-se-á a representar por
Y 0 = BX 0, (10)
onde X 0 e Y 0 são, respectivamente, as expressões de X e Y na nova base. Sendo P a matriz demudança de base temos, por (8), que Y 0 = P−1Y e X = PX 0. Utilizando estas igualdades e (9),obtemos
Y 0 = P−1Y = P−1AX =¡P−1AP
¢X 0.
Comparando esta expressão com (10), conclui-se que
B = P−1AP,
isto é, as matrizes que representam T nas bases {f1, f2, f3} e {e1, e2, e3} são semelhantes.No caso do exemplo 1.10, o leitor pode facilmente verificar que a inversa da matriz de mudança
de base P obtida em (7) é
P−1 =
⎡⎣ 0 1 0−2 2 1−1 1 1
⎤⎦e que P−1AP = B.Todas as deduções feitas são evidentemente válidas num espaço vectorial de dimensão finita,
pelo que podemos enunciar:
Proposição 1.4 Seja E um espaço vectorial de dimensão finita. Um endomorfismo T : E → E érepresentado em bases diferentes por matrizes semelhantes.
2 Núcleo e Imagem de uma Transformação LinearSeja T : E → F uma transformação linear. Associados a T consideram-se habitualmente doissubconjuntos, um do espaço vectorial de partida, E, e o outro do espaço vectorial de chegada, F .O primeiro é o conjunto do vectores de E que são aplicados no vector nulo 0F de F , designadopor espaço nulo de T ou núcleo de T e representado habitualmente por Nuc(T ) (ou KerT 3).Tem-se assim,
Nuc(T ) =nx ∈ E : T (x) = 0F
o.
O segundo subconjunto mencionado, é o conjunto das imagens de E por meio de T , designa-sepor imagem de T ou contradomínio de T , representa-se por T (E) e, formalmente, é dado por
T (E) = {T (x) ∈ F : x ∈ E} = {y ∈ F : ∃x ∈ E : y = T (x)}.
Sendo A a matriz representativa de T, é imediato verificar que Nuc(T ) coincide com o espaço nuloda matriz A e que T (E) não é mais do que o espaço das colunas da mesma matriz (recordem-se assecções 4.5 e 4.6 do volume I. Consequentemente, o seguinte resultado é válido:
Proposição 2.1 Seja T : E → F uma transformação linear. Então, o núcleo de T e a imagemde T são subespaços vectoriais de E e F , respectivamente.
3Abreviatura da palavra inglesa kernel.
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Exemplo 2.1 Considere-se a transformação linear T : IR3 → IR2 definida por
T (x1, x2, x3) = (x2, x1 + x3).
Tem-se
Nuc(T ) = {(x1, x2, x3) ∈ IR3 : T (x1, x2, x3) = (0, 0)}= {(x1, x2, x3) ∈ IR3 : (x2, x1 + x3) = (0, 0)},
donde os vectores do núcleo de T verificam o sistema de equações½x2 = 0x1 + x3 = 0
⇔½
x2 = 0x1 = −x3
.
Assim, Nuc(T ) é constituído pelos vectores de IR3 da forma (−x3, 0, x3) = x3(−1, 0, 1), ou seja,Nuc(T ) = h(−1, 0, 1)i.Para obter
T (IR3) = {(y1, y2) ∈ IR2 : ∃(x1, x2, x3) : T (x1, x2, x3) = (y1, y2)}
basta ver para que vectores (y1, y2) ∈ IR2 é possível o sistema
T (x1, x2, x3) = (y1, y2)⇔½
x2 = y1x1 + x3 = y2
.
Escrevendo a matriz ampliada deste sistema e calculando a respectiva característica (para o que ésuficiente efectuar uma troca de linhas) obtém-se∙
0 1 0 | y11 0 1 | y2
¸−→
∙1 0 1 | y20 1 0 | y1
¸.
Como a característica da matriz dos coeficientes iguala a da matriz ampliada, conclui-se que osistema é sempre possível, qualquer que seja o vector (y1, y2) ∈ IR2. Consequentemente, T (IR3) =IR2. Finalmente, o conjunto {(0, 1), (1, 0)} constitui uma base de T (IR3), visto que é formado pelascolunas da matriz representativa de T homólogas das que contêm os redutores da matriz em escada.
Observe-se que no exemplo anterior é válida a igualdade
dimNuc(T ) + dimT (IR3) = 1 + 2 = dim IR3,
isto é, a soma das dimensões do núcleo de T e da imagem de T iguala a dimensão do espaço departida. O resultado seguinte estabelece que aquela igualdade é válida em geral.
Teorema 2.1 Seja E um espaço vectorial de dimensão finita e T : E → F uma transformaçãolinear. Então,
dimNuc(T ) + dimT (E) = dimE.
Demonstração Seja n = dimE e e1, . . . , ek uma base para Nuc(T ), donde k = dimNuc(T ) ≤ n.Pelo teorema 2.4 (pág. 59) de [4], aqueles elementos são parte de uma certa base de E, por exemplo,
e1, . . . , ek, ek+1, . . . , ek+r (11)
onde k + r = n. Vamos demonstrar que os r elementos
T (ek+1), . . . , T (ek+r) (12)
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formam uma base de T (E). Ficará assim demonstrado que dimT (E) = r e visto que k + r = n,fica igualmente provado o teorema.Vejamos primeiro que os r elementos (12) geram T (E). Para tal, seja y ∈ T (E). Então, existe
x ∈ E tal que y = T (x). Dado que
x = λ1e1 + · · ·+ λkek + λk+1ek+1 + · · ·+ λk+rek+r,
tem-se
y = T (x) =kXi=1
λiT (ei) +k+rX
i=k+1
λiT (ei) =k+rX
i=k+1
λiT (ei),
atendendo a que T é uma transformação linear e ao facto de T (e1) = · · · = T (ek) = 0F. Isto provaque os r elementos de (12) geram T (E).Provemos finalmente a independência linear destes vectores. Suponhamos que existem escalares
λk+1, . . . , λk+r tais quek+rX
i=k+1
λiT (ei) = 0F .
Então, pela linearidade de T,
T
Ãk+rX
i=k+1
λiei
!= 0F
pelo que o vector x = λk+1ek+1+ · · ·+λk+rek+r ∈ Nuc(T ). Logo, existem escalares λ1, . . . , λk taisque x = λ1e1 + · · ·+ λkek e, portanto,
x− x =kXi=1
λiei −k+rX
i=k+1
λiei = 0E .
Dado que os vectores (11) são linearmente independentes, os escalares λi, i = 1, . . . , k+r, são nulose, assim, os r elementos considerados em (12) são linearmente independentes.
Exercício 2.1 Supondo fixada em IR3 a base canónica, determinar o núcleo e a imagem da trans-formação linear T : IR3 → IR3 definida por T (x1, x2, x3) = (−2x1, x2 + x3, x1).
Resolução Bastará determinar os espaços nulo e das colunas da matriz representativa de T . Estaúltima é a matriz
A =
⎡⎣ −2 0 00 1 11 0 0
⎤⎦ ,pois T (1, 0, 0) = (−2, 0, 1), T (0, 1, 0) = (0, 1, 0) e T (0, 0, 1) = (0, 1, 0). Para obter o espaço nulo énecessário resolver o sistema Ax = 0, procedendo-se como segue:⎡⎣ −2 0 0 | 0
0 1 1 | 01 0 0 | 0
⎤⎦ −→12L1 + L3
⎡⎣ −2 0 0 | 00 1 1 | 00 0 0 | 0
⎤⎦− 12L1−→
⎡⎣ 1 0 0 | 00 1 1 | 00 0 0 | 0
⎤⎦ .Assim, Ax = 0 é quivalente a ½
x1 = 0x2 + x3 = 0
⇔½
x1 = 0x2 = −x3
,
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donde Nuc(T ) = {(0,−x3, x3) : x3 ∈ IR} = h(0,−1, 1)i .Para obter o espaço imagem T (IR3) é necessário determinar os vectores y = (y1, y2, y3), para
os quais o sistema Ax = y é possível, prodecendo-se do seguinte modo:⎡⎣ −2 0 0 | y10 1 1 | y21 0 0 | y3
⎤⎦ −→12L1 + L3
⎡⎣ −2 0 0 | y10 1 1 | y20 0 0 | 1
2y1 + y3
⎤⎦ .Assim, aquele sistema é possível se e só se
1
2y1 + y3 = 0⇔ y1 = −2y3,
donde os vectores de T (IR3) são da forma (−2y3, y2, y3) = y2(0, 1, 0)+y3(−2, 0, 1), ou seja, T (IR3) =h{(0, 1, 0), (−2, 0, 1)}i . Visto que os vectores geradores de T (IR3) são linearmente independentestem-se dimT (IR3) = 2.Como não podia deixar de ser, verifica-se que
dimNuc(T ) + dimT (IR3) = dim IR3.
3 Inversa de uma Transformação LinearConsidere-se a matriz
Aθ =
∙cos θ − sen θsen θ cos θ
¸.
Fixada a base canónica em IR2, esta matriz define a transformação linear Tθ : IR2 → IR2 dada,
para cada (x1, x2) ∈ IR2, por
Tθ(x1, x2) = (x1 cos θ − x2 sen θ, x1 sen θ + x2 cos θ).
Tθ pode ser interpretada geometricamente como uma rotação dos vectores do plano de θ radianos.Com efeito, é fácil verificar analiticamente que θ é o ângulo formado pelo vector (x1, x2) e pela suaimagem Tθ(x1, x2), o que justifica a interpretação geométrica dada (recorde-se a matriz (1) que foiinterpretada geometricamente como uma rotação de 90 ◦ no plano; trata-se de um caso particularde Aθ visto que coincide com Aπ/2).
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
2
1
xx
x
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
2
1
yy
y
θ−
θ2x
1x
θ+θ= cossen 212 xxy
θ−θ= cossen 211 xxy
Figura 4: Rotação de θ rad e a sua inversa
Na figura 4, a imagem (y1, y2) = T (x1, x2) pode ser entendida como o resultado da rotação dovector (x1, x2). É natural portanto a pergunta: existe uma transformação “contrária” que reponha
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a situação inicial, isto é, que permita obter (x1, x2) a partir de (y1, y2)? Intuitivamente, conclui-sede imediato que a transformação procurada é a rotação de −θ radianos. Esta transformação diz-sea transformação inversa de Tθ e representa-se por T−1θ . Por analogia com Aθ, a matriz que adefine é dada por:
A−θ =
∙cos (−θ) − sen (−θ)sen (−θ) cos (−θ)
¸=
∙cos θ sen θ− sen θ cos θ
¸.
Note-se que A−θ é a matriz inversa de Aθ, pois AθA−θ = I2, como pode ser facilmente verificado.Este facto revela o paralelismo existente entre a operação de inversão de matrizes e a operação deinversão de transformações lineares.Para melhor precisarmos as noções anteriores, consideremos a transformação linear
T : E → T (E) ⊆ F.
Diremos que T é uma transformação invertível se T é injectiva, isto é, se transforma elementosdistintos de E em elementos distintos de F. Equivale a afirmar que, para x, y ∈ E, se x 6= y entãoT (x) 6= T (y), ou, o que é o mesmo,
∀x, y ∈ E, T (x) = T (y)⇒ x = y.
Refira-se também que T : E → F é sobrejectiva se T (E) = F , pois, assim, qualquer elemento doconjunto de chegada é imagem de um elemento do conjunto de partida. Uma tranformação linearsimultaneamente injectiva (monoformismo) e sobrejectiva (epimorfismo) é bijectiva (isomorfismo).O resultado seguinte permite caracterizar as transformações invertíveis de diversas formas,
decorrendo daí o seu interesse.
Proposição 3.1 Sejam E e F espaços vectoriais de dimensão finita e T : E → T (E) ⊆ F umatransformação linear. Então, as seguintes afirmações são equivalentes:
(a) T é invertível;
(b) A transformação inversa T−1 : T (E) ⊆ F → E definida por T−1[T (x)] = x, ∀x ∈ E, éuma transformação linear;
(c) Nuc(T ) = {0E}, isto é, o núcleo de T reduz-se ao vector nulo de E;
(d) T transforma vectores linearmente independentes de E em vectores linearmente independentesde F , isto é, se v1, v2, . . . , vp são vectores linearmente independentes de E então T (v1), T (v2),. . . , T (vp) são vectores linearmente independentes de F .
Demonstração Provar-se-á sucessivamente (a)⇒ (b)⇒ (c)⇒ (d)⇒ (a).
(a) ⇒ (b) Em primeiro lugar, é necessário verificar que T−1 é uma aplicação. Com efeito, dadou ∈ T (E), existe um e um só x ∈ E tal que T (x) = u. Isto porque, atendendo à injectividadede T, é absurdo supor a existência de dois vectores x e y tais que x 6= y e T (x) = T (y) = u.Por conseguinte, T−1 é uma aplicação.
Para verificar que T−1 é linear, sejam u, v ∈ T (E) e λ, µ escalares. Assim, existem x, y ∈ Etais que u = T (x) e v = T (y). Então,
T−1(λu+ µv) = T−1 (λT (x) + µT (y)) = T−1 (T (λx+ µy))
= λx+ µy = λT−1(u) + µT−1(v),
tendo em conta que T é linear e que T−1(u) = T−1[T (x)] = x e T−1(v) = T−1[T (y)] = y,por definição de T−1. Fica assim provado que T−1 é uma transformação linear.
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(b) ⇒ (c) Seja x ∈ E tal que T (x) = 0F . Aplicando T−1 a ambos os membros, obtém-sex = T−1(0F ). Como por hipótese T−1 é uma transformação linear, tem-se
T−1(0F ) = T−1(0 · 0F ) = 0 · T−1(0F ) = 0E ,
pelo que x = 0E . Consequentemente, Nuc(T ) = {0E}.
(c) ⇒ (d) Queremos provar que T (v1), T (v2), . . . , T (vp) são linearmente independentes. Ora,
pXi=1
λiT (vi) = 0F ⇒ T
ÃpXi=1
λivi
!= 0F ⇒
pXi=1
λivi = 0E ,
pois Nuc(T ) = {0E}. Como, por hipótese, v1, v2, . . . , vp são linearmente independentes,segue-se que λ1, λ2, . . . , λp = 0. Consequentemente, T (v1), T (v2), . . . , T (vp) são linearmenteindependentes.
(d) ⇒ (a) Há que provar que T é injectiva, isto é, que T (x) = T (y) ⇒ x = y,∀x, y ∈ E. Dadoque T é de dimensão finita, pode supor-se, sem perda de generalidade, que {e1, e2, . . . , en} éuma base de E. Então, sejam x = λ1e1 + λ2e2 + · · ·+ λnen e y = µ1e1 + µ2e2 + · · ·+ µnenvectores de E tais que T (x) = T (y). Esta igualdade equivale a
T
ÃnXi=1
λiei
!= T
ÃnXi=1
µiei
!
ou ainda, tendo em conta que T é linear, a
nXi=1
(λi − µi)T (ei) = 0F . (13)
Como e1, e2, . . . , en são linearmente independentes, resulta da hipótese que T (e1), T (e2), . . . ,T (en) são também independentes. Então, de (13) conclui-se que λ1−µ1, λ2−µ2, . . . , λn−µn,são todos nulos e, portanto, x = y, como se queria provar.
Por último, é estabelecido formalmente o paralelismo entre transformações inversas e matrizesinversas.
Proposição 3.2 Sejam E e F espaços vectoriais da mesma dimensão e T : E → F uma trans-formação linear invertível representada matricialmente relativamente a certas bases de E e F pelamatriz quadrada AT . Então, T é bijectiva e a transformação inversa T−1 é representada matri-cialmente relativamente às referidas bases pela matriz inversa de AT , isto é, AT−1 = (AT )
−1.
Demonstração Sendo T injectiva tem-se que dimNuc(T ) = 0E . Da igualdade dimNuc(T )+dimT (E) = n e do facto de F ter a mesma dimensão que E, resulta que T (E) = F . Assim, T é so-brejectiva e, portanto, bijectiva. Da proposição 3.1-(b) segue-se então que ambas as transformaçõeslineares compostas T−1 ◦ T e T ◦ T−1 são representadas pela matriz identidade In, pois¡
T−1 ◦ T¢(x) = T−1[T (x)] = x = Inx, ∀x ∈ E
e ¡T ◦ T−1
¢(x) = T [T−1(x)] = x = Inx, ∀x ∈ F.
Por outro lado, seja AT−1 a matriz quadrada que representa a transformação linear inversaT−1 nas bases consideradas. Pela proposição 1.2, AT−1◦T = AT−1AT e AT◦T−1 = ATAT−1 donde,AT−1AT = ATAT−1 = In, ou seja, AT−1 é a matriz inversa de AT .
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Exemplo 3.1 Considere-se a transformação linear T : IR3 → IR3 cuja representação matricial é
AT =
⎡⎣ −1 1 01 1 10 1 1
⎤⎦ ,supondo fixada a base canónica em IR3
Pretende-se averiguar se T é bijectiva e, em caso afirmativo, obter a transformação inversa.Para resolver a primeira das questões, é suficiente determinar o núcleo e a imagem de T . Comefeito, para obter o núcleo efectuam-se as operações seguintes:⎡⎣ −1 1 0 | 0
1 1 1 | 00 1 1 | 0
⎤⎦ →L1 + L2
⎡⎣ −1 1 0 | 00 2 1 | 00 1 1 | 0
⎤⎦→
−12L2 + L3
⎡⎣ −1 1 0 | 00 2 1 | 00 0 1
2 | 0
⎤⎦ .Conclui-se então que o sistema homogéneo T (x1, x2, x3) = (0, 0, 0) é possível e determinado, o queimplica que Nuc(T ) = {(0, 0, 0)}, ou seja, T é injectiva.Para obter o subespaço imagem T (IR3) efectuam-se os seguintes procedimentos:⎡⎣ −1 1 0 | y1
1 1 1 | y20 1 1 | y3
⎤⎦ →L1 + L2
⎡⎣ −1 1 0 | y10 2 1 | y2 + y10 1 1 | y3
⎤⎦→
−12L2 + L3
⎡⎣ −1 1 0 | y10 2 1 | y2 + y10 0 1
2 | y3 − y2+y12
⎤⎦ .Assim, T (IR3) = IR3 pois o sistema é sempre possível, qualquer que seja y = (y1, y2, y3) ∈ IR3.Deste modo, T é sobrejectiva e, dado que é injectiva, é bijectiva. Aliás, este facto poderia ter sidoimediatamente concluido após a verificação da invertibilidade de T . Com efeito, sendo T invertívele representada por uma matriz quadrada fica garantido, pela proposição 3.2, que T é bijectiva.Finalmente, a determinação da transformação inversa T−1 pode, portanto, fazer-se calculando
a matriz inversa de AT , que é a matriz⎡⎣ 0 1 −11 1 −1−1 −1 2
⎤⎦ .Consequentemente, T−1(x1, x2, x3) = (x1 − x2, x1 + x2 − x3, −x1 − x2 + 2x3), como facilmente severifica multiplicando (AT )
−1 por (x1, x2, x3).
4 Exercícios Resolvidos¤£ ¡¢1 Verifique quais das aplicações são lineares (considere C como um espaço vectorial real):
(a) T : IR3 → IR2
(x1,x2, x3) → T (x1, x2, x3) = (x1, 2x1 + x2)
(b) S : C → IR4
z = x+ yi → S(z) = S(x+ yi) = (x, x+ y,−y, x) ,
19 M A IC —A n o L e c t iv o 2 0 0 4 / 2 0 0 5
(c) ϕ : IR2 → IR3
(x1,x2) → ϕ(x1, x2) = (x1, x2, k) , k constante real.
Resolução Em cada uma das alíneas vamos proceder à verificação das condições da definiçãode transformação linear.
(1a) Verificação de 1: para quaisquer x = (x1, x2, x3) e y = (y1, y2, y3) de IR3, tem-se
T (x+ y) = T ((x1, x2, x3) + (y1, y2, y3))
= T (x1 + y1, x2 + y2, x3 + y3)
= (x1 + y1, 2(x1 + y1) + (x2 + y2))
= (x1, 2x1 + x2) + (y1, 2y1 + y2)
= T (x1, x2, x3) + T (y1, y2, y3)
= T (x) + T (y).
Verificação de 2: para quaisquer x = (x1, x2, x3) ∈ IR3 e λ ∈ IR, tem-se
T (λx) = T (λ(x1, x2, x3)) = T (λx1, λx2, λx3)
= (λx1, 2λx1 + λx2) = λ(x1, 2x1 + x2)
= λT (x1, x2, x3) = λT (x).
Logo T é linear.
(1b)Verificação de 1: para quaisquer z1 = x1 + y1i e z2 = x2 + y2i de C, temos
S(z1 + z2) = S ((x1 + y1i) + (x2 + y2i)) = S ((x1 + x2) + (y1 + y2)i)
= (x1 + x2, x1 + x2 + y1 + y2,−(y1 + y2), x1 + x2)
= (x1, x1 + y1,−y1, x1) + (x2, x2 + y2,−y2, x2)= S(x1 + y1i) + S(x2 + y2) = S(z1) + S(z2).
Verificação de 2: para quaisquer z = x+ yi ∈ C e λ ∈ IR, temos
S(λz1) = S (λ(x1 + y1i)) = S(λx1 + λy1i)
= (λx1, λx1 + λy1,−λy1, λx1) = λ(x1, x1 + y1,−y1, x1)= λS(x1 + y1i) = λS(z1).
Logo S é linear.
(1c) Dados x = (x1, x2) e y = (y1, y2) de IR2, tem-se, por um lado,
ϕ(x+ y) = ϕ [(x1, x2) + (y1, y2)]
= ϕ(x1 + y1, x2 + y2) = (x1 + y1, x2 + y2, k);
por outro,
ϕ(x) + ϕ(y) = ϕ(x1, x2) + ϕ(y1, y2)
= (x1, x2, k) + (y1, y2, k) = (x1 + y1, x2 + y2, 2k).
Portanto ϕ verifica a condição 1 se e só se 2k = k ⇔ k = 0. Facilmente se vê também queneste caso ϕ verifica a condição 2. Logo ϕ é linear se e só se k = 0.¤£ ¡¢2 Considere a transformação linear T : IR3 → IR2 definida por
T (x, y, z) = (3x+ y − 2z, 2y + 2z) .
20 M A IC —A n o L e c t iv o 2 0 0 4 / 2 0 0 5
(a) Determine a matriz representativa de T supondo fixadas:
i. As bases canónicas tanto em IR3 como em IR2;
ii. A base {(1, 1, 1), (0, 1, 1), (0, 0, 1)} em IR3 e a base canónica em IR2.
(b) Classifique T quanto à injectividade e sobrejectividade e indique uma base para Nuc(T )e a dimensão de T (IR3).
Resolução
(a-i) Seja AT a matriz de T considerando fixadas em IR2 e IR3 a base canónica. As colunas de
AT são as coordenadas dos transformados T (1, 0, 0), T (0, 1, 0) e T (0, 0, 1) na base canónicade IR2. Como
T (1, 0, 0) = (3, 0) = 3(1, 0) + 0 (0, 1) ,
T (0, 1, 0) = (1, 2) = 1(1, 0) + 2 (0, 1) e
T (0, 0, 1) = (−2, 2) = −2(1, 0) + 2 (0, 1) ,
tem-se
AT =
∙3 1 −20 2 2
¸.
(a-ii) Seja BT a matriz de T supondo fixadas em IR3 a base {(1, 1, 1) , (0, 1, 1) , (0, 0, 1)} e em
IR2 a base canónica. As colunas de BT são as coordenadas dos transformados dos vectoresda base considerada em IR3 expressos na base canónica de IR2. Como
T (1, 1, 1) = (2, 4) = 2(1, 0) + 4 (0, 1) ,
T (0, 1, 1) = (−1, 4) = −1(1, 0) + 4 (0, 1) e
T (0, 0, 1) = (−2, 2) = −2(1, 0) + 2 (0, 1) ,
conclui-se
BT =
∙2 −1 −24 4 2
¸.
(b) Vamos obter o núcleo de T :
Nuc(T ) = {(x, y, z) : T (x, y, z) = (0, 0)}.
Como
T (x, y, z) = (0, 0, 0)⇔½3x+ y − 2z = 02y + 2z = 0
⇔½
x = zy = −z ,
tem-se Nuc(T ) = {(z,−z, z) : z ∈ IR}. Assim, {(1,−1, 1)} constitui uma base para Nuc(T ) eT não é injectiva, pois Nuc(T ) 6= {(0, 0, 0)}.Vamos agora obter o subespaço imagem de T. Ora,
T (IR3) = {(a, b) ∈ IR2 : ∃(x, y, z) ∈ IR3 : T (x, y, z) = (a, b)}.
Para determinar os vectores (a, b) que tornam o sistema T (x, y, z) = (a, b) possível, vamostransformar a respectiva matriz ampliada numa matriz em escada:
T (x, y, z) = (a, b)⇔½3x+ y − 2z = a2y + 2z = b
⇔"3 1 −2 | a
0 2 2 | b
#.
Conclui-se assim que o sistema é sempre possível qualquer que seja (a, b) ∈ IR2, pelo queT (IR3) = IR2. Consequentemente, dimT (IR3) = 2 e T é sobrejectiva, uma vez que T (IR3)coincide com o conjunto de chegada.
21 M A IC —A n o L e c t iv o 2 0 0 4 / 2 0 0 5
¤£ ¡¢3 Considere o espaço vectorial real M2 das matrizes reais de ordem 2 e o endomorfismo T :M2 →M2 definido por
T (X) = XA, sendo A =∙1 20 1
¸.
(a) Mostre que T é uma transformação linear.
(b) Determine a matriz representativa de T relativamente à base canónica de M2 :½E1 =
∙1 00 0
¸, E2 =
∙0 10 0
¸, E3 =
∙0 01 0
¸, E4 =
∙0 00 1
¸¾.
(c) Caracterize Nuc(T ) e T (M2). T é um automorfismo?
Resolução
(a) T é linear pois dadas quaisquer duas matrizes X,Y ∈ M2 e um escalar arbitrário λ ∈IR, as propriedades da multiplicação de matrizes garantem que as seguintes igualdades sãoverdadeiras:
T (X + Y ) = (X + Y )A = XA+XB = T (X) + T (Y )
eT (λX) = (λX)A = λ (XA) = λT (X).
(b) Efectuemos o cálculo das imagens dos vectores da base canónica por meio de T :
T (E1) =
∙1 00 0
¸ ∙1 20 1
¸=
∙1 20 0
¸= E1 + 2E2
T (E2) =
∙0 10 0
¸ ∙1 20 1
¸=
∙0 10 0
¸= E2
T (E3) =
∙0 01 0
¸ ∙1 20 1
¸=
∙0 01 2
¸= E3 + 2E4
T (E4) =
∙0 00 1
¸ ∙1 20 1
¸=
∙0 00 1
¸= E4.
Consequentemente, a matriz representativa de T na base considerada é⎡⎢⎢⎣1 0 0 02 1 0 00 0 1 00 0 2 1
⎤⎥⎥⎦ .(c) O núcleo de T é definido por
Nuc(T ) = {X ∈M2 : T (X) = O}.
Como
T (X) = O⇔ XA = O ⇔∙a bc d
¸ ∙1 20 1
¸=
∙0 00 0
¸⇔∙a 2a+ bc 2c+ d
¸=
∙0 00 0
¸
⇔
⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎩a = 0
2a+ b = 0c = 0
2c+ d = 0
⇔
⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎩a = 0b = 0c = 0d = 0
22 M A IC —A n o L e c t iv o 2 0 0 4 / 2 0 0 5
conclui-se que Nuc(T ) =½∙
0 00 0
¸¾, isto é, o núcleo reduz-se ao vector nulo de M2. Do
teorema 2.1 sai então que dimT (M2) = 4, pelo que T (M2) =M2. Uma vez que T é injectivae sobrejectiva, T é bijectiva, tratando-se, portanto, de um isomorfismo. Como também é umendomorfismo, conclui-se que T é um automorfismo.¤£ ¡¢4 Relativamente às bases canónicas, determine as matrizes das transformações lineares T ◦ϕ eϕ ◦ T, em que T e ϕ estão definidas no exercício resolvido 1.
Resolução Visto que T (1, 0, 0) = (1, 2), T (0, 1, 0) = (0, 1) e T (0, 0, 1) = (0, 0), conclui-seque a matriz representativa de T , AT , é dada por
AT =
∙1 0 02 1 0
¸Por outro lado, no caso da aplicação ϕ é obrigatório que k = 0, pelo que a respectiva matrizrepresentativa é
Aϕ =
⎡⎣ 1 00 10 0
⎤⎦ .Por conseguinte,
AT◦ϕ = ATAϕ =
∙1 0 02 1 0
¸⎡⎣ 1 00 10 0
⎤⎦ = ∙ 1 02 1
¸e
Aϕ◦T = AϕAT =
⎡⎣ 1 00 10 0
⎤⎦∙ 1 0 02 1 0
¸=
⎡⎣ 1 0 02 1 00 0 0
⎤⎦ .¤£ ¡¢5 Considere a transformação linear Tµ : IR
2 → IR2 (µ parâmetro real) cuja representaçãomatricial em relação à base canónica de IR2 é
Aµ =
∙0 1− µ2
−4 5
¸.
(a) Determine os valores de µ para os quais Tµ é injectiva.
(b) Determine T1(IR2)⊕V, onde V é o subespaço de IR2 representado geometricamente pelo
eixo dos xx.
(c) Diga qual a matriz que representa T2 relativamente à base {(1, 1), (−1, 0)} de IR2.
Resolução
(a) Tµ é injectiva se e só se Nuc(Tµ) = {0} o que equivale a dizer que a única solução dosistema Aµx = 0 é a solução nula. Isto equivale ainda a dizer que a característica de Aµ é 2,ou seja,
detAµ 6= 0⇔¯0 1− µ2
−4 5
¯6= 0⇔ 4
¡1− µ2
¢6= 0⇔ µ /∈ {−1, 1}.
(b) Comecemos por calcular o subespaço T1(IR2) para o basta determinar quais os vectores∙
ab
¸∈ IR2 que tornam possível o sistema A1x =
∙ab
¸. Ora,
∙0 0 | a−4 5 | b
¸→∙−4 5 | b0 0 | a
¸,
23 M A IC —A n o L e c t iv o 2 0 0 4 / 2 0 0 5
donde o sistema é possível se e só se a = 0, tendo-se, pois, T1(IR2) = h(0, 1)i (eixo dos
yy). Visto que V = h(1, 0)i (eixo dos xx), tem-se T1(IR2) ∩ V = {0} e T1(IR
2) + V =h(0, 1) , (1, 0)i = IR2, donde T1(IR2)⊕ V = IR2.
(c) A imagem de um vector genérico x = (x1, x2) ∈ IR2 por meio de T2 é dada por
T2(x) = A2x =
∙0 −3−4 5
¸ ∙x1x2
¸=
∙−3x2
−4x1 + 5x2
¸.
As colunas da matriz representativa de T2 relativamente à base {(1, 1), (−1, 0)} são as coorde-nadas de T2(1, 1) = (−3, 1) e T2(−1, 0) = (0, 4) nessa base. A expressão de T2(1, 1) = (−3, 1)na base {(1, 1), (−1, 0)} obtém-se resolvendo o sistema
γ1(1, 1) + γ2(−1, 0) = (−3, 1)⇔½
γ1 − γ2 = −3γ1 = 1
⇔½
γ1 = 1γ2 = 4
.
Analogamente, para exprimir T2(−1, 0) = (0, 4) na base {(1, 1), (−1, 0)} resolve-se
γ1(1, 1) + γ2(−1, 0) = (0, 4)⇔½
γ1 − γ2 = 0γ1 = 4
⇔½
γ1 = 4γ2 = 4
.
Assim, T2 é representada na base considerada pela matriz∙1 44 4
¸.
¤£ ¡¢6 Considere a tranformação linear T : IR3 → IR3 definida por T (x, y, z) = (2x, 4x− y, 3y − z).
(a) Determine a matriz representativa de T supondo fixadas em IR3 :
i. A base canónica;ii. A base {(1, 0, 1), (0, 1, 0), (0,−1, 1)}.
(b) Mostre que as matrizes determinadas em (a) são semelhantes.
(c) Mostre que T é invertível e determine a sua inversa.
Resolução
(a-i) Seja {e1, e2, e3} a base canónica de IR3. Como T (1, 0, 0) = (2, 4, 0), T (0, 1, 0) = (0,−1, 3)e T (0, 0, 1) = (0, 0,−1), tem-se
AT =£T (1, 0, 0) T (0, 1, 0) T (0, 0, 1)
¤=
⎡⎣ 2 0 04 −1 00 3 −1
⎤⎦ .(a-ii) Seja BT a matriz de T na base considerada. Designemos os elementos desta base porf1, f2 e f3, respectivamente. As colunas de BT são as coordenadas dos transformados destesvectores,
T (f1) = T (1, 0, 1) = (2, 4,−1),T (f2) = T (0, 1, 0) = (0,−1, 3) e
T (f3) = T (0,−1, 1) = (0, 1,−4),
na mesma base. A expressão de T (f1) nesta base obtém-se de
µ1f1 + µ2f2 + µ3f3 = (2, 4,−1)⇔
⎧⎨⎩ µ1 = 2µ2 − µ3 = 4µ1 + µ3 = −1
⇔
⎧⎨⎩ µ1 = 2µ2 = 1µ3 = −3
.
24 M A IC —A n o L e c t iv o 2 0 0 4 / 2 0 0 5
A expressão de T (f2) obtém-se de
µ1f1 + µ2f2 + µ3f3 = (0,−1, 3)⇔
⎧⎨⎩ µ1 = 0µ2 − µ3 = −1µ1 + µ3 = 3
⇔
⎧⎨⎩ µ1 = 0µ2 = 2µ3 = 3
.
Finalmente, a expressão de T (f3) na base considerada obtém-se de
µ1f1 + µ2f2 + µ3f3 = (0, 1,−4)⇔
⎧⎨⎩ µ1 = 0µ2 − µ3 = 1µ1 + µ3 = −4
⇔
⎧⎨⎩ µ1 = 0µ2 = −3µ3 = −4
.
Então,
BT =hT (f1) T (f2) T (f3)
i=
⎡⎣ 2 0 01 2 −3−3 3 −4
⎤⎦ .(b) Pretende-se ver que AT e BT são matrizes semelhantes, isto é, que existe uma matrizP, invertível, tal que B = P−1AP. Continuando a representar respectivamente por f1, f2 ef3 os elementos da base {(1, 0, 1), (0, 1, 0), (0,−1, 1)}, tem-se que as relações entre esta basee {e1, e2, e3} são as seguintes, ⎧⎪⎨⎪⎩
f1 = e1 + e3f2 = e2f3 = −e2 + e3
ou, matricialmente,
[ f1 f2 f3 ] = [ e1 e2 e3 ]
⎡⎣ 1 0 00 1 −11 0 1
⎤⎦ .Designando por P a matriz que se encontra mais à direita nesta igualdade, verifica-se que ascolunas de P são precisamente os vectores f1, f2 e f3. A matriz P é a matriz procurada pois,
P−1ATP =
⎡⎣ 1 0 00 1 −11 0 1
⎤⎦−1 ⎡⎣ 2 0 04 −1 00 3 −1
⎤⎦⎡⎣ 1 0 00 1 −11 0 1
⎤⎦=
⎡⎣ 1 0 0−1 1 1−1 0 1
⎤⎦⎡⎣ 2 0 04 −1 00 3 −1
⎤⎦⎡⎣ 1 0 00 1 −11 0 1
⎤⎦=
⎡⎣ 2 0 01 2 −3−3 3 −4
⎤⎦ = BT
(c) Uma transformação linear é invertível se o seu núcleo se reduz ao vector nulo. Ora
Nuc(T ) =©(x, y, z) ∈ IR3 : T (x, y, z) = (0, 0, 0)
ªe como
T (x, y, z) = (0, 0, 0)⇔
⎧⎨⎩ 2x = 04x− y = 03y − z = 0
⇔
⎧⎨⎩ x = 0y = 0z = 0
,
25 M A IC —A n o L e c t iv o 2 0 0 4 / 2 0 0 5
conclui-se que Nuc(T ) = {(0, 0, 0)}. Consequentemente, T é injectiva. Recordando a propo-sição 3.2, tem-se que a determinação de T−1 pode fazer-se calculando simplesmente a matrizinversa de AT , que é a matriz
A−1T =
⎡⎣ 12 0 02 −1 06 −3 −1
⎤⎦ .Assim,
T−1(x, y, z) = A−1T
⎡⎣ xyz
⎤⎦ =⎡⎣ 1
2x2x− y
6x− 3y − z
⎤⎦ .5 Exercícios Propostos¤£ ¡¢1 Das aplicações a seguir definidas indique as que são transformações lineares:
(a) T : IR2 → IR2 dada por T (x, y) = (2x− y, x) .
(b) T : IR→ IR2 dada por T (x) = (1,−3) .(c) T : IR→ IR2 dada por T (x) = (2x, x) .
(d) T : IR2 → IR3 dada por T (x, y) = (xy, y, x) .
(e) T : IR2 → IR3 dada por T (x, y) = (|x| ,−y, 0) .(f) T : P2 → P3 dada por T (p(x)) = p(0)x2 +Dp(0)x3.
(g) T : P3 → P4 dada por T (p(x)) = 1 + xp(x).
(h) T :Mn →Mn dada por T (X) = XA−AX, onde A ∈Mn e A 6= O.
(i) T : Mn → Mn dada por T (X) = (X +A)2 − (X + 2A) (X − 3A) , onde A ∈ Mn e
A 6= O.¤£ ¡¢2 Seja f : IR2 → IR3 uma transformação linear tal que f(1, 0) = (−1, 1, 2) e f(0, 1) = (3, 0, 1).Determine f(x1, x2) para qualquer (x1, x2) ∈ IR2, utilizando a definição de aplicação linear.¤£ ¡¢3 Qual a matriz da transformação linear do exercício 2, supondo fixadas:
(a) Em IR2 e IR3 as bases canónicas.
(b) Em IR2 a base canónica e em IR3 a base {(1, 0, 1), (1, 2, 1), (0,−1, 1)}(c) Em IR2 a base {(−1, 1), (1, 1)} e em IR3 a base {(1, 0, 1), (1, 2, 1), (0,−1, 1)}.¤£ ¡¢4 Dada a transformação linear T : IR3 → IR2 tal que T (x, y, z) = (2x− y+ z, 3x+ y− 2z) e asbases {(1, 1, 1), (0, 1, 1), (0, 0, 1)} e {(2, 1), (5, 3)} de IR3 e IR2, respectivamente:
(a) Qual a matriz da transformação linear relativamente às bases canónicas?
(b) Qual a matriz da transformação linear relativamente às bases dadas?
(c) Se v = (3,−4, 2) (expresso na base canónica) qual o transformado nas bases dadas?¤£ ¡¢5 Considere a aplicação T : P2 → P2 dada por T (p(x)) = p(x+ 1).
(a) Mostre que T é linear.
(b) Qual a matriz da transformação linear relativamente à base {1, x, x2}?
26 M A IC —A n o L e c t iv o 2 0 0 4 / 2 0 0 5
¤£ ¡¢6 Relativamente às bases canónicas, determine as matrizes das transformações lineares T ◦ f ef ◦ T, em que T e f estão definidas nos exercícios 4 e 2, respectivamente.¤£ ¡¢7 Seja f : IR3 → IR2 tal que f(x, y, z) = (2x+ y, x+ y + z).
(a) Verifique que f é uma transformação linear.
(b) Determine uma base para Nuc(f) e justifique que f não é injectiva.
(c) Caracterize f(IR3). Será f sobrejectiva? Justifique.¤£ ¡¢8 Considere a aplicação P : IR3 → IR3 definida por P (x, y, z) = (x, y, 0).
(a) Verifique que P é uma transformação linear e interprete-a geometricamente.
(b) Mostre que P 2 = P (P 2 = P ◦ P ).(c) Determine Nuc(P ) e P (IR3). Situe esses espaços na interpretação geométrica anterior e
indique uma base para cada um deles.¤£ ¡¢9 Considere a aplicação linear ϕ : IR3 → IR3 dada pelas equações⎧⎨⎩ ϕ(e1) = e1 + 2e2ϕ(e2) = e1 + e3ϕ(e3) = e3
,
sendo {e1, e2, e3} uma base de IR3.
(a) Determine as dimensões de Nuc(ϕ) e ϕ(IR3).
(b) Verifique se o subespaço gerado por he2, e3i é invariante para a aplicação dada. E he3i?¤£ ¡¢10 Considere a aplicação T : IR3 → IR3 definida por T (x, y, z) = (u, v, w), em que⎧⎨⎩ u = x− y + zv = 5x+ 2y − zw = −3x− 4y + 3z
Determine bases para Nuc(T ) e T (IR3). Será T um automorfismo? Justifique.¤£ ¡¢11 Considere um espaço vectorial E de dimensão 3. Seja ϕ um endomorfismo de E cuja matrizrelativamente à base {e1, e2, e3} é
Aϕ =
⎡⎣ −1 0 −20 0 40 −1 0
⎤⎦ .(a) Mostre que ϕ é um automorfismo.
(b) Considere o conjunto de vectores {e1, e2, e3} tal que⎧⎨⎩ e1 = e1 + e2e2 = −e1 − e3e3 = e1 + 2e3.
i. Verifique que se trata de uma nova base de E.ii. Determine a matriz associada a ϕ na nova base.iii. Determine as coordenadas do vector v = ae1 + be2 + ce3 na nova base.
27 M A IC —A n o L e c t iv o 2 0 0 4 / 2 0 0 5
¤£ ¡¢12 Considere a aplicação linear Tλ : IR3 → IR4 cuja representação matricial em relação às bases
canónicas de IR3 e IR4 é dada pela matriz
Aλ =
⎡⎢⎢⎣1 4 54 −3 1
2 1 λ2 + 24 −1 3
⎤⎥⎥⎦ .(a) Determine os valores de λ para os quais Tλ é injectiva.
(b) Determine o conjunto de elementos de IR3 cuja imagem por T1 é (6, 5, 5, 7) .
(c) Diga qual a matriz que representa a aplicação T1 relativamente às bases {(1, 1, 0),(−1, 2, 1), (0,−1, 3)} de IR3 e à base canónica de IR4.
¤£ ¡¢13 Considere a aplicação linear T : IR2 → IR3 de matriz AT =
⎡⎣ 1 01 10 1
⎤⎦ relativamente às bases{e1, e2} e {f1, f2, f3}. Sejam {e 01 , e 02 } e {f 0
1 , f02 , f
03 } novas bases fixadas em IR2 e IR3 tais que
½e 01 = e1 + e2e 02 = e1
e
⎧⎪⎨⎪⎩f 01 = f1 + 2f3f 02 = f2f 03 = −f1,
.
(a) Determine a matriz A0T de T relativamente às novas bases.
(b) Determine na base {e1, e2} o original de v = 12f
01 +
32f
03 .¤£ ¡¢14 Considere a aplicação f : P2 →M2 dada por
f(c+ bx+ ax2) =
∙b+ a cb a
¸.
(a) Mostre que f é linear.
(b) Determine a matriz representativa de f relativamente às bases {1, x, 1 + x2} de P2 e½∙1 00 0
¸,
∙0 10 0
¸,
∙1 11 0
¸,
∙1 11 1
¸¾de M2.
(c) Descreva os subespaços Nuc(f) e Im(f) e indique as respectivas dimensões.¤£ ¡¢15 Considere a aplicação linear T : IR3 → IR3 definida por T (x, y, z) = (2x, 4x− y, 2x+3y− z).Mostre que T é invertível e dertermine a sua inversa.
6 Soluções dos Exercícios Propostos
1. Sim, não, sim, não, não, sim, não, sim ∀A, sim sse A2 = O.2. f(x1, x2) = (−x1 + 3x2, x1, 2x1 + x2).
3. (a)
⎡⎣ −1 31 02 1
⎤⎦ ; (b)⎡⎣ −3 4
2 −13 −2
⎤⎦ ; (c)⎡⎣ 7 1−3 1−5 1
⎤⎦28 M A IC —A n o L e c t iv o 2 0 0 4 / 2 0 0 5
4. (a)∙2 −1 13 1 −2
¸; (b)
∙−4 5 132 −2 −5
¸; (c) (31,−10) .
5. (b)
⎡⎣ 1 1 10 1 20 0 1
⎤⎦ .6.∙−1 7−6 7
¸,
⎡⎣ 7 4 −72 −1 17 −1 0
⎤⎦ .7. (b) {(1,−2, 1)}; f não é injectiva pois Nuc(f) não se reduz ao vector nulo; (c) f(IR3) = IR2,pelo que f é sobrejectiva.8. (a) Interpretação geométrica: projecção de um ponto do espaço IR3 no plano XOY ; (c)Nuc(P ) = {(0, 0, z) : z ∈ IR} (eixo dos ZZ), base: {(0, 0, 1)}; P (IR3) = {(x, y, 0) : x, y ∈ IR} (planoXOY ), base: {(1, 0, 0), (0, 1, 0)}.9. (a) 0, 3; (b) Não, sim.10.{(−1, 6, 7)}; {(1, 5,−3) , (−1, 2,−4)} . Não, porque não é isomorfismo.
11. (b-ii)
⎡⎣ 0 −4 81 −14 260 −7 13
⎤⎦ ;(b-iii) (b,−2a+ 2b+ c,−a+ b+ c) .
12. (a) λ 6= ±1; (b) {(2, 1, 0) + z (−1,−1, 1) : z ∈ IR}; (c)
⎡⎢⎢⎣5 12 111 −9 63 3 83 −3 10
⎤⎥⎥⎦13. (a)
⎡⎣ 1/2 02 1−1/2 −1
⎤⎦ ; (b) −e1 + e2.
14. (b)
⎡⎢⎢⎣0 0 11 −1 10 1 −10 0 1
⎤⎥⎥⎦ ; (c) Nuc(f) = {polinómio nulo}, dimNuc(F ) = 0,
f(P2) =
¿∙1 00 0
¸,
∙0 10 0
¸,
∙1 11 0
¸À, dim f(P2) = 3.
15. T−1(x, y, z) =¡12x, 2x− y, 7x− 3y − z
¢.
Referências[1] Agudo, F. R. D., Introdução à Álgebra Linear e Geometria Analítica, Livraria Escolar Editora,
1996.
[2] Apostol, T., Calculus, Vol 2, Editorial Reverté, 1975.
[3] Giraldes, E., Fernandes, V. H. e Smith, M. P. M, Curso de Álgebra Linear e Geometria Analí-tica, Editora McGraw-Hill de Portugal, 1995.
[4] Luz, C., Matos, A. e Nunes, S., Álgebra Linear (Volume I), 2a edição, EST Setúbal, 2003.
[5] Magalhães, L. T., Álgebra Linear como Introdução a Matemática Aplicada, Texto Editora, 1991.
[6] Strang, G., Linear Algebra and Its Applications, Academic Press, New York, 1980.
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